Astronomer har set Strontium i kølvandet på en kollision mellem to neutronstjerner. Dette er første gang, et tungt element nogensinde er blevet identificeret i en kilonova, den eksplosive efterspørgsel efter disse typer kollisioner. Opdagelsen sætter et hul i vores forståelse af, hvordan tunge elementer dannes.
I 2017 opdagede Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) og det europæiske VIRGO-observatorium gravitationsbølger fra fusionen mellem to neutronstjerner. Fusionshændelsen fik navnet GW170817, og den var omkring 130 millioner lysår væk i galaksen NGC 4993.
Den resulterende kilonova kaldes AT2017gfo, og European Southern Observatory (ESO) pegede flere af deres teleskoper mod det for at observere det i forskellige bølgelængder. De pegede især Very Large Telescope (VLT) og dets X-shooter-instrument på kilonovaen.
X-shooteren er en spektrograf med flere bølgelængder, der observerer i Ultraviolet B (UVB,) synligt lys, og Near Infrared (NIR.) Oprindeligt antydede X-shooter-data, at der var tungere elementer til stede i kilonovaen. Men indtil nu kunne de ikke identificere individuelle elementer.
”Dette er det sidste trin i en årtiers lang jagt for at fastlægge elementernes oprindelse.”
Darach Watson, hovedforfatter, Københavns Universitet.
Disse nye resultater præsenteres i en ny undersøgelse med titlen "Identifikation af strontium i fusionen af to neutronstjerner." Hovedforfatter er Darach Watson fra Københavns Universitet i Danmark. Avisen blev offentliggjort i tidsskriftet Natur den 24. oktober 2019.
"Ved at genanalysere 2017-dataene fra fusionen har vi nu identificeret underskrivelsen af et tungt element i denne ildkugle, strontium, for at bevise, at kollisionen mellem neutronstjerner skaber dette element i universet," sagde Watson i en pressemeddelelse.
Smedningen af de kemiske elementer kaldes nucleosynthesis. Forskere har vidst om det i årtier. Vi ved, at der dannes elementer i supernovaer, i de ydre lag af aldrende stjerner og i almindelige stjerner. Men der har været et hul i vores forståelse, når det kommer til neutronfangst, og hvordan tyngre elementer dannes. Ifølge Watson udfylder denne opdagelse dette hul.
”Dette er det sidste trin i en årtiers lang jagt for at fastlægge elementernes oprindelse,” siger Watson. ”Vi ved nu, at processerne, der skabte elementerne, for det meste skete i almindelige stjerner, i supernovaeksplosioner eller i de ydre lag af gamle stjerner. Men indtil nu vidste vi ikke placeringen af den endelige, uopdagede proces, kendt som hurtig neutronfangst, der skabte de tungere elementer i den periodiske tabel. ”
Der er to typer neutronfangst: hurtig og langsom. Hver type neutronfangst er ansvarlig for oprettelsen af omkring halvdelen af elementerne, der er tungere end jern. Hurtig neutronfangst gør det muligt for en atomkerne at fange neutroner hurtigere, end det kan henfalde, hvilket skaber tunge elementer. Processen blev udarbejdet for årtier siden, og omstændighedsbeviser pegede på kilonovae som det sandsynlige sted for den hurtige neutronfangstproces at finde sted. Men det blev aldrig observeret på et astrofysisk sted indtil nu.
Stjerner er varme nok til at fremstille mange af elementerne. Men kun de mest ekstreme varme miljøer kan skabe tungere elementer som Strontium. Kun disse miljøer, som denne kilonova, har nok frie neutroner rundt omkring. I en kilonova bombarderes atomer konstant af et enormt antal neutroner, så den hurtige neutronfangstproces skaber de tungere elementer.
”Dette er første gang, at vi direkte kan forbinde nyoprettet materiale dannet via neutronfangst med en neutronstjernefusion, hvilket bekræfter, at neutronstjerner er lavet af neutroner og binder den lang omdiskuterede hurtige neutronfangstproces til sådanne fusioner,” siger Camilla Juul Hansen fra Max Planck Institut for Astronomi i Heidelberg, der spillede en stor rolle i undersøgelsen.
Selvom X-shooter-dataene har eksisteret i et par år, var astronomer ikke sikre på, at de så strontium i kilonovaen. De troede, de så det, men de kunne ikke være sikre med det samme. Vores forståelse af fusioner mellem kilonovae og neutronstjerne er langt fra komplet. Der er kompleksiteter i X-shooter-spektre for den kilonova, der måtte gennemgås, specifikt når det drejer sig om at identificere spektre for tyngre elementer.
”Vi kom faktisk på idéen om, at vi måske ser strontium ganske hurtigt efter begivenheden. At vise, at dette påviseligt var tilfældet, viste sig imidlertid at være meget vanskeligt. Denne vanskelighed skyldtes vores meget ufuldstændige viden om det tunge elementers spektrale udseende i den periodiske tabel, ”siger Københavns Universitetsforsker Jonatan Selsing, der var en nøgleforfatter på papiret.
Indtil nu blev hurtig neutronfangst diskuteret meget, men blev aldrig observeret. Dette arbejde udfylder et af hullerne i vores forståelse af nukleosyntesen. Men det går længere end det. Det bekræfter neutronstjernes art.
Efter at neutronen blev opdaget af James Chadwick i 1932 foreslog forskere eksistensen af neutronstjernen. I et papir fra 1934 fremførte astronomerne Fritz Zwicky og Walter Baade synspunktet om, at ”en super-nova repræsenterer overgangen fra en almindelig stjerne til enneutronstjerne, der hovedsageligt består af neutroner. En sådan stjerne kan have en meget lille radius og en ekstrem høj densitet. ”
Tre årtier senere blev neutronstjerner forbundet og identificeret med pulsarer. Men der var ingen måde at bevise, at neutronstjerner var lavet af neutroner, fordi astronomer ikke kunne opnå spektroskopisk bekræftelse.
Men denne opdagelse ved at identificere strontium, som kun kunne være blevet syntetiseret under ekstrem neutronflux, beviser, at neutronstjerner faktisk er lavet af neutroner. Som forfatterne siger i deres artikel, "Identifikationen her af et element, der kun kunne være blevet syntetiseret så hurtigt under en ekstrem neutronflux, giver det første direkte spektroskopiske bevis på, at neutronstjerner består af neutron-rig stof."
Dette er vigtigt arbejde. Opdagelsen har tilsluttet to huller i vores forståelse af elementernes oprindelse. Det bekræfter observativt, hvad forskere vidste teoretisk. Og det er altid godt.
Mere:
- Pressemeddelelse: Første identifikation af et tungt element født fra neutronstjernekollision
- Forskningsartikel: Identifikation af strontium i fusionen af to neutronstjerner
- Wikipedia: Neutronfangst
- 1934 Paper: Kosmiske stråler fra Super-Novae
